src/tools/nsc.c

   1 /*
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  *                        VERSION 3.3.2
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2007, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * Groningen Machine for Chemical Simulation
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include <stdio.h>
  40 #include <string.h>
  41 #include <stdlib.h>
  42 #include <math.h>
  43 #include <stdarg.h>
  44 /* Modified DvdS */
  45 #include "pbc.h"
  46 #include "macros.h"
  47 #include "vec.h"
  48 #include "smalloc.h"
  49 #include "nsc.h"
  50
  51 #define TEST_NSC 0
  52
  53 #define TEST_ARC 0
  54 #define TEST_DOD 0
  55 #define TEST_CUBE 0
  56
  57 #define UNSP_ICO_DOD      9
  58 #define UNSP_ICO_ARC     10
  59
  60 real   *xpunsp=NULL;
  61 real   del_cube;
  62 int    *ico_wk=NULL, *ico_pt=NULL;
  63 int    n_dot, ico_cube, last_n_dot=0, last_densit=0, last_unsp=0;
  64 int    last_cubus=0;
  65
  66 #define FOURPI (4.*M_PI)
  67 #define TORAD(A)     ((A)*0.017453293)
  68 #define DP_TOL     0.001
  69
  70 #define UPDATE_FL  __file__=__FILE__,__line__=__LINE__
  71 const char * __file__;   /* declared versions of macros */
  72 int  __line__;           /* __FILE__  and __LINE__ */
  73
  74 #define ERROR UPDATE_FL,error
  75 void error(const char *fmt, ...) {
  76   va_list args;
  77   fprintf(stderr,
  78           "\n---> ERROR when executing line %i in file %s !\n",
  79           __line__,__file__);
  80   va_start(args,fmt);
  81   vfprintf(stderr, fmt, args);
  82   va_end(args);
  83   fprintf(stderr, "\n---> Execution stopped !\n\n");
  84 }
  85
  86 #define WARNING UPDATE_FL,warning2
  87 void warning2(const char *fmt, ...) {
  88   va_list args;
  89   fprintf(stderr,
  90           "\n---> WARNING : line %i in file %s\n",
  91           __line__,__file__);
  92   va_start(args,fmt);
  93   vfprintf(stderr, fmt, args);
  94   va_end(args);
  95   fprintf(stderr, " ...!\n\n");
  96   fflush(stderr);
  97   fflush(stdout);
  98 }
  99
 100 #define ASIN safe_asin
 101 real safe_asin(real f) {
 102   if ( (fabs(f) < 1.00) ) return( asin(f) );
 103   if ( (fabs(f) - 1.00)  <= DP_TOL )
 104     ERROR("ASIN : invalid argument %f", f);
 105   return(M_PI_2);
 106 }
 107
 108 #define CALLOC(n, size) mycalloc(__FILE__,__LINE__, n, size)
 109 void * mycalloc(const char * filename, const int linenr,
 110                 size_t nelem, size_t elsize) {
 111   int * ip;
 112   ip = (int *) calloc(nelem, elsize);
 113   if(ip == NULL)
 114     ERROR("CALLOC : failed in file %s at line %d", filename, linenr);
 115   return(ip);
 116 }
 117
 118 #define REALLOC(ptr, size) myrealloc(__FILE__,__LINE__,  ptr, size)
 119 void * myrealloc(const char * filename, const int linenr,
 120                  void * ptr, size_t size) {
 121   int * ip;
 122   ip = (int *) realloc(ptr, size);
 123   if(ip == NULL)
 124     ERROR("REALLOC : failed in file %s at line %d", filename, linenr);
 125   return(ip);
 126 }
 127
 128
 129 /* routines for dot distributions on the surface of the unit sphere */
 130 real rg, rh;
 131
 132 void icosaeder_vertices(real *xus) {
 133   rh = sqrt(1.-2.*cos(TORAD(72.)))/(1.-cos(TORAD(72.)));
 134   rg = cos(TORAD(72.))/(1.-cos(TORAD(72.)));
 135   /* icosaeder vertices */
 136   xus[ 0] = 0.;                  xus[ 1] = 0.;                  xus[ 2] = 1.;
 137   xus[ 3] = rh*cos(TORAD(72.));  xus[ 4] = rh*sin(TORAD(72.));  xus[ 5] = rg;
 138   xus[ 6] = rh*cos(TORAD(144.)); xus[ 7] = rh*sin(TORAD(144.)); xus[ 8] = rg;
 139   xus[ 9] = rh*cos(TORAD(216.)); xus[10] = rh*sin(TORAD(216.)); xus[11] = rg;
 140   xus[12] = rh*cos(TORAD(288.)); xus[13] = rh*sin(TORAD(288.)); xus[14] = rg;
 141   xus[15] = rh;                  xus[16] = 0;                   xus[17] = rg;
 142   xus[18] = rh*cos(TORAD(36.));  xus[19] = rh*sin(TORAD(36.));  xus[20] = -rg;
 143   xus[21] = rh*cos(TORAD(108.)); xus[22] = rh*sin(TORAD(108.)); xus[23] = -rg;
 144   xus[24] = -rh;                 xus[25] = 0;                   xus[26] = -rg;
 145   xus[27] = rh*cos(TORAD(252.)); xus[28] = rh*sin(TORAD(252.)); xus[29] = -rg;
 146   xus[30] = rh*cos(TORAD(324.)); xus[31] = rh*sin(TORAD(324.)); xus[32] = -rg;
 147   xus[33] = 0.;                  xus[34] = 0.;                  xus[35] = -1.;
 148 }
 149
 150
 151 void divarc(real x1, real y1, real z1,
 152             real x2, real y2, real z2,
 153             int div1, int div2, real *xr, real *yr, real *zr) {
 154
 155   real xd, yd, zd, dd, d1, d2, s, x, y, z;
 156   real phi, sphi, cphi;
 157
 158   xd = y1*z2-y2*z1;
 159   yd = z1*x2-z2*x1;
 160   zd = x1*y2-x2*y1;
 161   dd = sqrt(xd*xd+yd*yd+zd*zd);
 162   if (dd < DP_TOL) ERROR("divarc: rotation axis of length %f", dd);
 163
 164   d1 = x1*x1+y1*y1+z1*z1;
 165   if (d1 < 0.5) ERROR("divarc: vector 1 of sq.length %f", d1);
 166   d2 = x2*x2+y2*y2+z2*z2;
 167   if (d2 < 0.5) ERROR("divarc: vector 2 of sq.length %f", d2);
 168
 169   phi = ASIN(dd/sqrt(d1*d2));
 170   phi = phi*((real)div1)/((real)div2);
 171   sphi = sin(phi); cphi = cos(phi);
 172   s  = (x1*xd+y1*yd+z1*zd)/dd;
 173
 174   x = xd*s*(1.-cphi)/dd + x1 * cphi + (yd*z1-y1*zd)*sphi/dd;
 175   y = yd*s*(1.-cphi)/dd + y1 * cphi + (zd*x1-z1*xd)*sphi/dd;
 176   z = zd*s*(1.-cphi)/dd + z1 * cphi + (xd*y1-x1*yd)*sphi/dd;
 177   dd = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 178   *xr = x/dd; *yr = y/dd; *zr = z/dd;
 179 }
 180
 181 int ico_dot_arc(int densit) { /* densit...required dots per unit sphere */
 182   /* dot distribution on a unit sphere based on an icosaeder *
 183    * great circle average refining of icosahedral face       */
 184
 185   int i, j, k, tl, tl2, tn, tess;
 186   real a, d, x, y, z, x2, y2, z2, x3, y3, z3;
 187   real xij, yij, zij, xji, yji, zji, xik, yik, zik, xki, yki, zki,
 188     xjk, yjk, zjk, xkj, ykj, zkj;
 189   real *xus=NULL;
 190
 191   /* calculate tessalation level */
 192   a = sqrt((((real) densit)-2.)/10.);
 193   tess = (int) ceil(a);
 194   n_dot = 10*tess*tess+2;
 195   if (n_dot < densit) {
 196     ERROR("ico_dot_arc: error in formula for tessalation level (%d->%d, %d)",
 197           tess, n_dot, densit);
 198   }
 199
 200   xus = (real *) CALLOC(3*n_dot, sizeof(real));
 201   xpunsp = xus;
 202   icosaeder_vertices(xus);
 203
 204   if (tess > 1) {
 205     tn = 12;
 206     a = rh*rh*2.*(1.-cos(TORAD(72.)));
 207     /* calculate tessalation of icosaeder edges */
 208     for (i=0; i<11; i++) {
 209       for (j=i+1; j<12; j++) {
 210         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 211         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 212         d = x*x+y*y+z*z;
 213         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 214         for (tl=1; tl<tess; tl++) {
 215           if (tn >= n_dot) { ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus"); }
 216           divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 217                  xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 218                  tl, tess, &xus[3*tn], &xus[1+3*tn], &xus[2+3*tn]);
 219           tn++;
 220         }
 221       }
 222     }
 223     /* calculate tessalation of icosaeder faces */
 224     for (i=0; i<10; i++) {
 225       for (j=i+1; j<11; j++) {
 226         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 227         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 228         d = x*x+y*y+z*z;
 229         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 230
 231         for (k=j+1; k<12; k++) {
 232           x = xus[3*i]-xus[3*k];
 233           y = xus[1+3*i]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*k];
 234           d = x*x+y*y+z*z;
 235           if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 236           x = xus[3*j]-xus[3*k];
 237           y = xus[1+3*j]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*j]-xus[2+3*k];
 238           d = x*x+y*y+z*z;
 239           if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 240           for (tl=1; tl<tess-1; tl++) {
 241             divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 242                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 243                    tl, tess, &xji, &yji, &zji);
 244             divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 245                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 246                    tl, tess, &xki, &yki, &zki);
 247
 248             for (tl2=1; tl2<tess-tl; tl2++) {
 249               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 250                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 251                      tl2, tess, &xij, &yij, &zij);
 252               divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 253                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 254                      tl2, tess, &xkj, &ykj, &zkj);
 255               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 256                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 257                      tess-tl-tl2, tess, &xik, &yik, &zik);
 258               divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 259                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 260                      tess-tl-tl2, tess, &xjk, &yjk, &zjk);
 261               if (tn >= n_dot) ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus");
 262               divarc(xki, yki, zki, xji, yji, zji, tl2, tess-tl,
 263                      &x, &y, &z);
 264               divarc(xkj, ykj, zkj, xij, yij, zij, tl, tess-tl2,
 265                      &x2, &y2, &z2);
 266               divarc(xjk, yjk, zjk, xik, yik, zik, tl, tl+tl2,
 267                      &x3, &y3, &z3);
 268               x = x+x2+x3; y = y+y2+y3; z = z+z2+z3;
 269               d = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 270               xus[3*tn] = x/d;
 271               xus[1+3*tn] = y/d;
 272               xus[2+3*tn] = z/d;
 273               tn++;
 274             }           /* cycle tl2 */
 275           }             /* cycle tl */
 276         }               /* cycle k */
 277       }         /* cycle j */
 278     }                   /* cycle i */
 279     if (n_dot != tn) {
 280       ERROR("ico_dot: n_dot(%d) and tn(%d) differ", n_dot, tn);
 281     }
 282   }             /* end of if (tess > 1) */
 283   return n_dot;
 284 }               /* end of routine ico_dot_arc */
 285
 286 int ico_dot_dod(int densit) { /* densit...required dots per unit sphere */
 287   /* dot distribution on a unit sphere based on an icosaeder *
 288    * great circle average refining of icosahedral face       */
 289
 290   int i, j, k, tl, tl2, tn, tess, j1, j2;
 291   real a, d, x, y, z, x2, y2, z2, x3, y3, z3, ai_d, adod;
 292   real xij, yij, zij, xji, yji, zji, xik, yik, zik, xki, yki, zki,
 293     xjk, yjk, zjk, xkj, ykj, zkj;
 294   real *xus=NULL;
 295   /* calculate tesselation level */
 296   a = sqrt((((real) densit)-2.)/30.);
 297   tess = max((int) ceil(a), 1);
 298   n_dot = 30*tess*tess+2;
 299   if (n_dot < densit) {
 300     ERROR("ico_dot_dod: error in formula for tessalation level (%d->%d, %d)",
 301           tess, n_dot, densit);
 302   }
 303
 304   xus = (real *) CALLOC(3*n_dot, sizeof(real));
 305   xpunsp = xus;
 306   icosaeder_vertices(xus);
 307
 308   tn=12;
 309   /* square of the edge of an icosaeder */
 310   a = rh*rh*2.*(1.-cos(TORAD(72.)));
 311   /* dodecaeder vertices */
 312   for (i=0; i<10; i++) {
 313     for (j=i+1; j<11; j++) {
 314       x = xus[3*i]-xus[3*j];
 315       y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 316       d = x*x+y*y+z*z;
 317       if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 318       for (k=j+1; k<12; k++) {
 319         x = xus[3*i]-xus[3*k];
 320         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*k];
 321         d = x*x+y*y+z*z;
 322         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 323         x = xus[3*j]-xus[3*k];
 324         y = xus[1+3*j]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*j]-xus[2+3*k];
 325         d = x*x+y*y+z*z;
 326         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 327         x = xus[  3*i]+xus[  3*j]+xus[  3*k];
 328         y = xus[1+3*i]+xus[1+3*j]+xus[1+3*k];
 329         z = xus[2+3*i]+xus[2+3*j]+xus[2+3*k];
 330         d = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 331         xus[3*tn]=x/d; xus[1+3*tn]=y/d; xus[2+3*tn]=z/d;
 332         tn++;
 333       }
 334     }
 335   }
 336
 337   if (tess > 1) {
 338     tn = 32;
 339     /* square of the edge of an dodecaeder */
 340     adod = 4.*(cos(TORAD(108.))-cos(TORAD(120.)))/(1.-cos(TORAD(120.)));
 341     /* square of the distance of two adjacent vertices of ico- and dodecaeder */
 342     ai_d = 2.*(1.-sqrt(1.-a/3.));
 343
 344     /* calculate tessalation of mixed edges */
 345     for (i=0; i<31; i++) {
 346       j1 = 12; j2 = 32; a = ai_d;
 347       if (i>=12) { j1=i+1; a = adod; }
 348       for (j=j1; j<j2; j++) {
 349         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 350         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 351         d = x*x+y*y+z*z;
 352         if (fabs(a-d) > DP_TOL) continue;
 353         for (tl=1; tl<tess; tl++) {
 354           if (tn >= n_dot) {
 355             ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus");
 356           }
 357           divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 358                  xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 359                  tl, tess, &xus[3*tn], &xus[1+3*tn], &xus[2+3*tn]);
 360           tn++;
 361         }
 362       }
 363     }
 364     /* calculate tessalation of pentakisdodecahedron faces */
 365     for (i=0; i<12; i++) {
 366       for (j=12; j<31; j++) {
 367         x = xus[3*i]-xus[3*j];
 368         y = xus[1+3*i]-xus[1+3*j]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*j];
 369         d = x*x+y*y+z*z;
 370         if (fabs(ai_d-d) > DP_TOL) continue;
 371
 372         for (k=j+1; k<32; k++) {
 373           x = xus[3*i]-xus[3*k];
 374           y = xus[1+3*i]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*i]-xus[2+3*k];
 375           d = x*x+y*y+z*z;
 376           if (fabs(ai_d-d) > DP_TOL) continue;
 377           x = xus[3*j]-xus[3*k];
 378           y = xus[1+3*j]-xus[1+3*k]; z = xus[2+3*j]-xus[2+3*k];
 379           d = x*x+y*y+z*z;
 380           if (fabs(adod-d) > DP_TOL) continue;
 381           for (tl=1; tl<tess-1; tl++) {
 382             divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 383                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 384                    tl, tess, &xji, &yji, &zji);
 385             divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 386                    xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 387                    tl, tess, &xki, &yki, &zki);
 388
 389             for (tl2=1; tl2<tess-tl; tl2++) {
 390               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 391                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 392                      tl2, tess, &xij, &yij, &zij);
 393               divarc(xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 394                      xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 395                      tl2, tess, &xkj, &ykj, &zkj);
 396               divarc(xus[3*i], xus[1+3*i], xus[2+3*i],
 397                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 398                      tess-tl-tl2, tess, &xik, &yik, &zik);
 399               divarc(xus[3*j], xus[1+3*j], xus[2+3*j],
 400                      xus[3*k], xus[1+3*k], xus[2+3*k],
 401                      tess-tl-tl2, tess, &xjk, &yjk, &zjk);
 402               if (tn >= n_dot) {
 403                 ERROR("ico_dot: tn exceeds dimension of xus");
 404               }
 405               divarc(xki, yki, zki, xji, yji, zji, tl2, tess-tl,
 406                      &x, &y, &z);
 407               divarc(xkj, ykj, zkj, xij, yij, zij, tl, tess-tl2,
 408                      &x2, &y2, &z2);
 409               divarc(xjk, yjk, zjk, xik, yik, zik, tl, tl+tl2,
 410                      &x3, &y3, &z3);
 411               x = x+x2+x3; y = y+y2+y3; z = z+z2+z3;
 412               d = sqrt(x*x+y*y+z*z);
 413               xus[3*tn] = x/d;
 414               xus[1+3*tn] = y/d;
 415               xus[2+3*tn] = z/d;
 416               tn++;
 417             }           /* cycle tl2 */
 418           }             /* cycle tl */
 419         }               /* cycle k */
 420       }         /* cycle j */
 421     }                   /* cycle i */
 422     if (n_dot != tn) {
 423       ERROR("ico_dot: n_dot(%d) and tn(%d) differ", n_dot, tn);
 424     }
 425   }             /* end of if (tess > 1) */
 426   return n_dot;
 427 }               /* end of routine ico_dot_dod */
 428
 429 int unsp_type(int densit) {
 430   int i1, i2;
 431   i1 = 1;
 432   while (10*i1*i1+2 < densit) i1++;
 433   i2 = 1;
 434   while (30*i2*i2+2 < densit) i2++;
 435   if (10*i1*i1-2 < 30*i2*i2-2) return UNSP_ICO_ARC;
 436   else return UNSP_ICO_DOD;
 437 }
 438
 439 int make_unsp(int densit, int mode, int * num_dot, int cubus) {
 440   int ndot, ico_cube_cb, i, j, k, l, ijk, tn, tl, tl2;
 441   real *xus;
 442   int  *work;
 443   real x, y, z;
 444
 445   if (xpunsp) free(xpunsp); if (ico_wk) free(ico_wk);
 446
 447   k=1; if (mode < 0) { k=0; mode = -mode; }
 448   if (mode == UNSP_ICO_ARC)      { ndot = ico_dot_arc(densit); }
 449   else if (mode == UNSP_ICO_DOD)      { ndot = ico_dot_dod(densit); }
 450   else {
 451     WARNING("make_unsp: mode %c%d not allowed", (k) ? '+':'-',mode);
 452     return 1;
 453   }
 454
 455   last_n_dot = ndot; last_densit = densit; last_unsp = mode;
 456   *num_dot=ndot; if (k) return 0;
 457
 458   /* in the following the dots of the unit sphere may be resorted */
 459   last_unsp = -last_unsp;
 460
 461   /* determine distribution of points in elementary cubes */
 462   if (cubus) {
 463     ico_cube = cubus;
 464   }
 465   else {
 466     last_cubus = 0;
 467     i=1;
 468     while (i*i*i*2 < ndot) i++;
 469     ico_cube = max(i-1, 0);
 470   }
 471   ico_cube_cb = ico_cube*ico_cube*ico_cube;
 472   del_cube=2./((real)ico_cube);
 473   work = (int *) CALLOC(ndot, sizeof(int));
 474   xus = xpunsp;
 475   for (l=0; l<ndot; l++) {
 476     i = max((int) floor((1.+xus[3*l])/del_cube), 0);
 477     if (i>=ico_cube) i = ico_cube-1;
 478     j = max((int) floor((1.+xus[1+3*l])/del_cube), 0);
 479     if (j>=ico_cube) j = ico_cube-1;
 480     k = max((int) floor((1.+xus[2+3*l])/del_cube), 0);
 481     if (k>=ico_cube) k = ico_cube-1;
 482     ijk = i+j*ico_cube+k*ico_cube*ico_cube;
 483     work[l] = ijk;
 484   }
 485
 486   ico_wk = (int *) CALLOC(2*ico_cube_cb+1, sizeof(int));
 487   ico_pt = ico_wk+ico_cube_cb;
 488   for (l=0; l<ndot; l++) {
 489     ico_wk[work[l]]++;   /* dots per elementary cube */
 490   }
 491
 492   /* reordering of the coordinate array in accordance with box number */
 493   tn=0;
 494   for (i=0; i<ico_cube; i++) {
 495     for (j=0; j<ico_cube; j++) {
 496       for (k=0; k<ico_cube; k++) {
 497         tl=0;
 498         tl2 = tn;
 499         ijk = i+ico_cube*j+ico_cube*ico_cube*k;
 500         *(ico_pt+ijk) = tn;
 501         for (l=tl2; l<ndot; l++) {
 502           if (ijk == work[l]) {
 503             x = xus[3*l]; y = xus[1+3*l]; z = xus[2+3*l];
 504             xus[3*l] = xus[3*tn];
 505             xus[1+3*l] = xus[1+3*tn]; xus[2+3*l] = xus[2+3*tn];
 506             xus[3*tn] = x; xus[1+3*tn] = y; xus[2+3*tn] = z;
 507             ijk = work[l]; work[l]=work[tn]; work[tn]=ijk;
 508             tn++; tl++;
 509           }
 510         }
 511         *(ico_wk+ijk) = tl;
 512       }         /* cycle k */
 513     }                   /* cycle j */
 514   }                     /* cycle i */
 515   free(work); return 0;
 516 }
 517
 518
 519 typedef struct _stwknb {
 520   real x;
 521   real y;
 522   real z;
 523   real dot;
 524 } Neighb;
 525
 526 int nsc_dclm_pbc(rvec *coords, real *radius, int nat,
 527                  int  densit, int mode,
 528                  real *value_of_area, real **at_area,
 529                  real *value_of_vol,
 530                  real **lidots, int *nu_dots,
 531                  atom_id index[],int ePBC,matrix box)
 532 {
 533   int iat, i, ii, iii, ix, iy, iz, ixe, ixs, iye, iys, ize, izs, i_ac;
 534   int jat, j, jj, jjj, jx, jy, jz;
 535   int distribution;
 536   int l;
 537   int maxnei, nnei, last, maxdots=0;
 538   int *wkdot=NULL, *wkbox=NULL, *wkat1=NULL, *wkatm=NULL;
 539   Neighb  *wknb, *ctnb;
 540   int iii1, iii2, iiat, lfnr=0, i_at, j_at;
 541   real dx, dy, dz, dd, ai, aisq, ajsq, aj, as, a;
 542   real xi, yi, zi, xs=0., ys=0., zs=0.;
 543   real dotarea, area, vol=0.;
 544   real *xus, *dots=NULL, *atom_area=NULL;
 545   int  nxbox, nybox, nzbox, nxy, nxyz;
 546   real xmin=0, ymin=0, zmin=0, xmax, ymax, zmax, ra2max, d, *pco;
 547   /* Added DvdS 2006-07-19 */
 548   t_pbc pbc;
 549   rvec  ddx,*x=NULL;
 550   int   iat_xx,jat_xx;
 551
 552   distribution = unsp_type(densit);
 553   if (distribution != -last_unsp || last_cubus != 4 ||
 554       (densit != last_densit && densit != last_n_dot)) {
 555     if (make_unsp(densit, (-distribution), &n_dot, 4))
 556       return 1;
 557   }
 558   xus = xpunsp;
 559
 560   dotarea = FOURPI/(real) n_dot;
 561   area = 0.;
 562
 563   if (debug)
 564     fprintf(debug,"nsc_dclm: n_dot=%5d %9.3f\n", n_dot, dotarea);
 565
 566   /* start with neighbour list */
 567   /* calculate neighbour list with the box algorithm */
 568   if (nat==0) {
 569     WARNING("nsc_dclm: no surface atoms selected");
 570     return 1;
 571   }
 572   if (mode & FLAG_VOLUME)
 573     vol=0.;
 574   if (mode & FLAG_DOTS) {
 575     maxdots = (3*n_dot*nat)/10;
 576     snew(dots,maxdots);
 577     lfnr=0;
 578   }
 579   if (mode & FLAG_ATOM_AREA)
 580     snew(atom_area,nat);
 581
 582   /* Compute minimum size for grid cells */
 583   ra2max = radius[index[0]];
 584   for (iat_xx=1; (iat_xx<nat); iat_xx++) {
 585     iat = index[iat_xx];
 586     ra2max = max(ra2max, radius[iat]);
 587   }
 588   ra2max = 2*ra2max;
 589
 590   /* Added DvdS 2006-07-19 */
 591   /* Updated 2008-10-09 */
 592   if (box) {
 593     set_pbc(&pbc,ePBC,box);
 594     snew(x,nat);
 595     for(i=0; (i<nat); i++) {
 596       iat  = index[0];
 597       copy_rvec(coords[iat],x[i]);
 598     }
 599     put_atoms_in_triclinic_unitcell(ecenterTRIC,box,nat,x);
 600     nxbox = max(1,floor(norm(box[XX])/ra2max));
 601     nybox = max(1,floor(norm(box[YY])/ra2max));
 602     nzbox = max(1,floor(norm(box[ZZ])/ra2max));
 603     if (debug)
 604       fprintf(debug,"nbox = %d, %d, %d\n",nxbox,nybox,nzbox);
 605   }
 606   else {
 607     /* dimensions of atomic set, cell edge is 2*ra_max */
 608     iat  = index[0];
 609     xmin = coords[iat][XX]; xmax = xmin; xs=xmin;
 610     ymin = coords[iat][YY]; ymax = ymin; ys=ymin;
 611     zmin = coords[iat][ZZ]; zmax = zmin; zs=zmin;
 612     ra2max = radius[iat];
 613
 614     for (iat_xx=1; (iat_xx<nat); iat_xx++) {
 615       iat = index[iat_xx];
 616       pco = coords[iat];
 617       xmin = min(xmin, *pco);     xmax = max(xmax, *pco);
 618       ymin = min(ymin, *(pco+1)); ymax = max(ymax, *(pco+1));
 619       zmin = min(zmin, *(pco+2)); zmax = max(zmax, *(pco+2));
 620       xs= xs+ *pco; ys = ys+ *(pco+1); zs= zs+ *(pco+2);
 621     }
 622     xs = xs/ (real) nat;
 623     ys = ys/ (real) nat;
 624     zs = zs/ (real) nat;
 625     if (debug)
 626       fprintf(debug,"nsc_dclm: n_dot=%5d ra2max=%9.3f %9.3f\n", n_dot, ra2max, dotarea);
 627
 628     d = xmax-xmin; nxbox = (int) max(ceil(d/ra2max), 1.);
 629     d = (((real)nxbox)*ra2max-d)/2.;
 630     xmin = xmin-d; xmax = xmax+d;
 631     d = ymax-ymin; nybox = (int) max(ceil(d/ra2max), 1.);
 632     d = (((real)nybox)*ra2max-d)/2.;
 633     ymin = ymin-d; ymax = ymax+d;
 634     d = zmax-zmin; nzbox = (int) max(ceil(d/ra2max), 1.);
 635     d = (((real)nzbox)*ra2max-d)/2.;
 636     zmin = zmin-d; zmax = zmax+d;
 637   }
 638   /* Help variables */
 639   nxy = nxbox*nybox;
 640   nxyz = nxy*nzbox;
 641
 642   /* box number of atoms */
 643   snew(wkatm,nat);
 644   snew(wkat1,nat);
 645   snew(wkdot,n_dot);
 646   snew(wkbox,nxyz+1);
 647
 648   if (box) {
 649     matrix box_1;
 650     rvec   x_1;
 651     int    ix,iy,iz,m;
 652     m_inv(box,box_1);
 653     for(i=0; (i<nat); i++) {
 654       mvmul(box_1,x[i],x_1);
 655       ix = ((int)floor(x_1[XX]*nxbox) + nxbox) % nxbox;
 656       iy = ((int)floor(x_1[YY]*nybox) + nybox) % nybox;
 657       iz = ((int)floor(x_1[ZZ]*nzbox) + nzbox) % nzbox;
 658       j =  ix + iy*nxbox + iz*nxbox*nybox;
 659       if (debug)
 660         fprintf(debug,"Atom %d cell index %d. x = (%8.3f,%8.3f,%8.3f) fc = (%8.3f,%8.3f,%8.3f)\n",
 661                 i,j,x[i][XX],x[i][YY],x[i][ZZ],x_1[XX],x_1[YY],x_1[ZZ]);
 662       range_check(j,0,nxyz);
 663       wkat1[i] = j;
 664       wkbox[j]++;
 665     }
 666   }
 667   else {
 668     /* Put the atoms in their boxes */
 669     for (iat_xx=0; (iat_xx<nat); iat_xx++) {
 670       iat = index[iat_xx];
 671       pco = coords[iat];
 672       i = (int) max(floor((pco[XX]-xmin)/ra2max), 0);
 673       i = min(i,nxbox-1);
 674       j = (int) max(floor((pco[YY]-ymin)/ra2max), 0);
 675       j = min(j,nybox-1);
 676       l = (int) max(floor((pco[ZZ]-zmin)/ra2max), 0);
 677       l = min(l,nzbox-1);
 678       i = i+j*nxbox+l*nxy;
 679       wkat1[iat_xx] = i;
 680       wkbox[i]++;
 681     }
 682   }
 683
 684   /* sorting of atoms in accordance with box numbers */
 685   j = wkbox[0];
 686   for (i=1; i<nxyz; i++)
 687     j= max(wkbox[i], j);
 688   for (i=1; i<=nxyz; i++)
 689     wkbox[i] += wkbox[i-1];
 690
 691   /* maxnei = (int) floor(ra2max*ra2max*ra2max*0.5); */
 692   maxnei = min(nat, 27*j);
 693   snew(wknb,maxnei);
 694   for (iat_xx=0; iat_xx<nat; iat_xx++) {
 695     iat = index[iat_xx];
 696     range_check(wkat1[iat_xx],0,nxyz);
 697     wkatm[--wkbox[wkat1[iat_xx]]] = iat_xx;
 698     if (debug)
 699       fprintf(debug,"atom %5d on place %5d\n", iat, wkbox[wkat1[iat_xx]]);
 700   }
 701
 702   if (debug) {
 703     fprintf(debug,"nsc_dclm: n_dot=%5d ra2max=%9.3f %9.3f\n",
 704             n_dot, ra2max, dotarea);
 705     fprintf(debug,"neighbour list calculated/box(xyz):%d %d %d\n",
 706             nxbox, nybox, nzbox);
 707
 708     for (i=0; i<nxyz; i++)
 709       fprintf(debug,"box %6d : atoms %4d-%4d    %5d\n",
 710               i, wkbox[i], wkbox[i+1]-1, wkbox[i+1]-wkbox[i]);
 711     for (i=0; i<nat; i++) {
 712       fprintf(debug,"list place %5d by atom %7d\n", i, index[wkatm[i]]);
 713     }
 714   }
 715
 716   /* calculate surface for all atoms, step cube-wise */
 717   for (iz=0; iz<nzbox; iz++) {
 718     iii = iz*nxy;
 719     if (box) {
 720       izs = iz-1;
 721       ize = min(iz+2,izs+nzbox);
 722     }
 723     else {
 724       izs = max(iz-1,0);
 725       ize = min(iz+2, nzbox);
 726     }
 727     for (iy=0; iy<nybox; iy++) {
 728       ii = iy*nxbox+iii;
 729       if (box) {
 730         iys = iy-1;
 731         iye = min(iy+2,iys+nybox);
 732       }
 733       else {
 734         iys = max(iy-1,0);
 735         iye = min(iy+2, nybox);
 736       }
 737       for (ix=0; ix<nxbox; ix++) {
 738         i = ii+ix;
 739         iii1=wkbox[i];
 740         iii2=wkbox[i+1];
 741         if (iii1 >= iii2)
 742           continue;
 743         if (box) {
 744           ixs = ix-1;
 745           ixe = min(ix+2,ixs+nxbox);
 746         }
 747         else {
 748           ixs = max(ix-1,0);
 749           ixe = min(ix+2, nxbox);
 750         }
 751         iiat = 0;
 752         /* make intermediate atom list */
 753         for (jz=izs; jz<ize; jz++) {
 754           jjj = ((jz+nzbox) % nzbox)*nxy;
 755           for (jy=iys; jy<iye; jy++) {
 756             jj = ((jy+nybox) % nybox)*nxbox+jjj;
 757             for (jx=ixs; jx<ixe; jx++) {
 758               j = jj+((jx+nxbox) % nxbox);
 759               for (jat=wkbox[j]; jat<wkbox[j+1]; jat++) {
 760                 range_check(wkatm[jat],0,nat);
 761                 range_check(iiat,0,nat);
 762                 wkat1[iiat] = wkatm[jat];
 763                 iiat++;
 764               }     /* end of cycle "jat" */
 765             }       /* end of cycle "jx" */
 766           }       /* end of cycle "jy" */
 767         }       /* end of cycle "jz" */
 768         for (iat=iii1; iat<iii2; iat++) {
 769           i_at = index[wkatm[iat]];
 770           ai   = radius[i_at];
 771           aisq = ai*ai;
 772           pco  = coords[i_at];
 773           xi = pco[XX]; yi = pco[YY]; zi = pco[ZZ];
 774           for (i=0; i<n_dot; i++)
 775             wkdot[i] = 0;
 776
 777           ctnb = wknb; nnei = 0;
 778           for (j=0; j<iiat; j++) {
 779             j_at = index[wkat1[j]];
 780             if (j_at == i_at)
 781               continue;
 782
 783             aj   = radius[j_at];
 784             ajsq = aj*aj;
 785             pco  = coords[j_at];
 786
 787             /* Added DvdS 2006-07-19 */
 788             if (box) {
 789               /*rvec xxi;
 790
 791               xxi[XX] = xi;
 792               xxi[YY] = yi;
 793               xxi[ZZ] = zi;
 794               pbc_dx(&pbc,pco,xxi,ddx);*/
 795               pbc_dx(&pbc,coords[i_at],coords[j_at],ddx);
 796               dx = ddx[XX];
 797               dy = ddx[YY];
 798               dz = ddx[ZZ];
 799             }
 800             else {
 801               dx = pco[XX]-xi;
 802               dy = pco[YY]-yi;
 803               dz = pco[ZZ]-zi;
 804             }
 805             dd = dx*dx+dy*dy+dz*dz;
 806             as = ai+aj;
 807             if (dd > as*as)
 808               continue;
 809             nnei++;
 810             ctnb->x = dx;
 811             ctnb->y = dy;
 812             ctnb->z = dz;
 813             ctnb->dot = (dd+aisq-ajsq)/(2.*ai); /* reference dot product */
 814             ctnb++;
 815           }
 816
 817           /* check points on accessibility */
 818           if (nnei) {
 819             last = 0; i_ac = 0;
 820             for (l=0; l<n_dot; l++) {
 821               if (xus[3*l]*(wknb+last)->x+
 822                   xus[1+3*l]*(wknb+last)->y+
 823                   xus[2+3*l]*(wknb+last)->z <= (wknb+last)->dot) {
 824                 for (j=0; j<nnei; j++) {
 825                   if (xus[3*l]*(wknb+j)->x+xus[1+3*l]*(wknb+j)->y+
 826                       xus[2+3*l]*(wknb+j)->z > (wknb+j)->dot) {
 827                     last = j;
 828                     break;
 829                   }
 830                 }
 831                 if (j >= nnei) {
 832                   i_ac++;
 833                   wkdot[l] = 1;
 834                 }
 835               }     /* end of cycle j */
 836             }       /* end of cycle l */
 837           }
 838           else {
 839             i_ac  = n_dot;
 840             for (l=0; l < n_dot; l++)
 841               wkdot[l] = 1;
 842           }
 843
 844           if (debug)
 845             fprintf(debug,"i_ac=%d, dotarea=%8.3f, aisq=%8.3f\n",
 846                     i_ac, dotarea, aisq);
 847
 848           a = aisq*dotarea* (real) i_ac;
 849           area = area + a;
 850           if (mode & FLAG_ATOM_AREA) {
 851             range_check(wkatm[iat],0,nat);
 852             atom_area[wkatm[iat]] = a;
 853           }
 854           if (mode & FLAG_DOTS) {
 855             for (l=0; l<n_dot; l++) {
 856               if (wkdot[l]) {
 857                 lfnr++;
 858                 if (maxdots <= 3*lfnr+1) {
 859                   maxdots = maxdots+n_dot*3;
 860                   srenew(dots,maxdots);
 861                 }
 862                 dots[3*lfnr-3] = ai*xus[3*l]+xi;
 863                 dots[3*lfnr-2] = ai*xus[1+3*l]+yi;
 864                 dots[3*lfnr-1] = ai*xus[2+3*l]+zi;
 865               }
 866             }
 867           }
 868           if (mode & FLAG_VOLUME) {
 869             dx=0.; dy=0.; dz=0.;
 870             for (l=0; l<n_dot; l++) {
 871               if (wkdot[l]) {
 872                 dx=dx+xus[3*l];
 873                 dy=dy+xus[1+3*l];
 874                 dz=dz+xus[2+3*l];
 875               }
 876             }
 877             vol = vol+aisq*(dx*(xi-xs)+dy*(yi-ys)+dz*(zi-zs)+ai* (real) i_ac);
 878           }
 879
 880         }         /* end of cycle "iat" */
 881       }           /* end of cycle "ix" */
 882     }           /* end of cycle "iy" */
 883   }           /* end of cycle "iz" */
 884
 885   sfree(wkatm);
 886   sfree(wkat1);
 887   sfree(wkdot);
 888   sfree(wkbox);
 889   sfree(wknb);
 890   if (box)
 891     sfree(x);
 892
 893   if (mode & FLAG_VOLUME) {
 894     vol = vol*FOURPI/(3.* (real) n_dot);
 895     *value_of_vol = vol;
 896   }
 897   if (mode & FLAG_DOTS) {
 898     *nu_dots = lfnr;
 899     *lidots = dots;
 900   }
 901   if (mode & FLAG_ATOM_AREA) {
 902     *at_area = atom_area;
 903   }
 904   *value_of_area = area;
 905
 906   if (debug)
 907     fprintf(debug,"area=%8.3f\n", area);
 908
 909   return 0;
 910 }
 911
 912
 913 #if TEST_NSC > 0
 914 #define NAT 2
 915 main () {
 916
 917   int i, j, ndots;
 918   real co[3*NAT], ra[NAT], area, volume, a, b, c;
 919   real * dots;
 920   real * at_area;
 921   FILE *fp;
 922
 923
 924   a = 1.; c= 0.1;
 925   fp = fopen("nsc.txt", "w+");
 926   for (i=1; i<=NAT; i++) {
 927     j = i-1;
 928     co[3*i-3] = j*1*c;
 929     co[3*i-2] = j*1*c;
 930     co[3*i-1] = j*1*c;
 931     /*
 932       co[3*i-3] = i*1.4;
 933       co[3*i-2] = 0.;
 934       co[3*i-1] = 0.;
 935     */
 936     /*
 937       co[3*i-2] = a*0.3;
 938       a = -a; b=0;
 939       if (i%3 == 0) b=0.5;
 940       co[3*i-1] = b;
 941       ra[i-1] = 2.0;
 942     */
 943     ra[i-1] = (1.+j*0.5)*c;
 944   }
 945   /*
 946     if (NSC(co, ra, NAT, 42, NULL, &area,
 947   */
 948   if (NSC(co, ra, NAT, 42, NULL, &area,
 949           NULL,NULL,NULL,NULL)) ERROR("error in NSC");
 950   fprintf(fp, "\n");
 951   fprintf(fp, "area     : %8.3f\n", area);
 952   fprintf(fp, "\n");
 953   fprintf(fp, "\n");
 954   fprintf(fp, "next call\n");
 955   fprintf(fp, "\n");
 956   fprintf(fp, "\n");
 957
 958   if (NSC(co, ra, NAT, 42,FLAG_VOLUME | FLAG_ATOM_AREA | FLAG_DOTS, &area,
 959           &at_area, &volume,
 960           &dots, &ndots)) ERROR("error in NSC");
 961
 962   fprintf(fp, "\n");
 963   fprintf(fp, "area     : %8.3f\n", area);
 964   printf("area     : %8.3f\n", area);
 965   fprintf(fp, "volume   : %8.3f\n", volume);
 966   printf("volume   : %8.3f\n", volume);
 967   fprintf(fp, "ndots    : %8d\n", ndots);
 968   printf("ndots    : %8d\n", ndots);
 969   fprintf(fp, "\n");
 970   for (i=1; i<=NAT; i++) {
 971     fprintf(fp, "%4d ATOM %7.2f %7.2f %7.2f  ra=%4.1f  area=%8.3f\n",
 972             i, co[3*i-3], co[3*i-2], co[3*i-1], ra[i-1], at_area[i-1]);
 973   }
 974   fprintf(fp, "\n");
 975   fprintf(fp, "DOTS : %8d\n", ndots);
 976   for (i=1; i<=ndots; i++) {
 977     fprintf(fp, "%4d DOTS %8.2f %8.2f %8.2f\n",
 978             i, dots[3*i-3], dots[3*i-2], dots[3*i-1]);
 979   }
 980 }
 981 #endif